ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ
Seria: HUTNICTWO z. 18 Nr kol. 606
_______ 1979
Stanisław T0CH0V'ICZ Maria SZULC
Instytut Metalurgii Politechnika ślęska
ZMIANY KSZTAŁTU, WIELKOŚCI, RODZADU I ROZMIESZCZENIA WTRĄCEŃ NIEMETALICZNYCH W CZASIE PROCESU EZP
Streszczenie, poddano badaniom zmiany wielkości i kształtu wtrę- ceń“ ńiemetalicznych na drodze: materiał elektrody, tworzęca się krop
la ciekłego metalu, materiał wlewka w czasie procesu EZP. Stwier
dzono zjawiska rozpadu dużych wtręceń segregacji wtręceń w roztapia
jącym się materiale elektrody i prawdopodobieństwo częściowej dyso- cjacji i, rozpuszczania się składników w ciekłym metalu. Potwierdzo
no efekt zmniejszenia wielkości i usunięcia dużych wtręceń w materia
le wlewka w stosunku do materiału elektrody.
Wartościowę cechę procesu elektrożużlowego przetapiania stali stano
wię: zmniejszenie zawartości, zmiana rodzaju, rozkładu i wielkości wtrę
ceń niemetalicznych. Zmiany te spowodowane sę wysokę temperaturę procesu, kroplowym przepływem stali poprzez żużel, warunkami krzepnięcia oraz bra
kiem kontaktu ciekłej stali ze stałę fazę materiałów ogniotrwałych.Czynni
ki te powoduję około dwukrotne zmniejszenie zawartości wtręceń tlenkowych jl, 2, 3| , cztero- do sześciokrotne obniżenie zawartości wtręceń siarcz
kowych [l, 4] oraz zmianę składu chemicznego pozostałych wtręceń niemeta
licznych. 0 ile źródła wtręceń niemetalicznych obecnych we wlewku E2P sę znane, to nie istnieje jednoznaczna teoria wyjaśniajęca, w jaki sposób w okresie roztapiania, przebywania w zakresie wysokich temperatur oraz kon
taktu ciekłego metalu z żużlem zachodzi proces zmiany wtręceń niemetalicz
nych w takim stopniu, że wtręcenia niemetaliczne wlewka EŻP nie mogę być utożsamiane z wtręceniamielektrody. Podawane w literaturze hipotezy wyka
zuję duże rozbieżności w interpretacji procesów zachodzęcych w błonce cie
kłego metalu oraz w formujęcej się kropli na końcówce przetapianej elek
trody.
Hipotezy zakładajęce obecność w kropli ciekłego metalu opuszczającej elektrodę wtręceń niemetalicznych, właściwych dla przetapianej elektrody [5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 13], sugeruję zmiany ich rodzaju i zawartości, wskutek :
- wypływania z ciekłego metalu zgodnie w przybliżeniu z hydrodynamicznym prawem Stokesa,
98 S. Tochowicz, M. Szulc
ȣ>
'
Rys. 1. Przekrój końcówki elektrody
Zmiany kształtu, wielkości., rodzaju. 99
- adsorpcji przez żużel w czasie kontaktu ciekłego metalu z żuilem -oPec dużej powierzchni styku obu faz,
- reakcji chemicznej ze składnikami żużla.
W ostatnich latach wysunięto zupełnie odmiennę hipotezę ¡14, 15, 16]
zakładajęcę nieobecność wtręceń niemetalicznych w metalu opuszczającym elektrodę. Na końcówce topięcej się elektrody wtręcenia niemetaliczne dy
socjuję, a ich składniki przechodzę do roztworu. W miarę przejścia metalu przez zmienne stadia procesu dochodzi do stanu równowagi pomiędzy fazami metalu i żużla, co powoduje zmianę składu chemicznego metalu. Przy krzep
nięciu wobec zmienionego w stosunku do elektrody składu chemicznego met;•
lu następuje wytręcenie z roztworu nowych wtręceń niemetalicznych. Specy
ficzne warunki krzepnięcia decyduję o ich wielkości i rozkładzie.
Celem niniejszej pracy było zweryfikowanie poględów na fizykochemiczne przemiany stręceń niemetalicznych, zachodzęce na drodze elektroda-wiewe*
EŹP poprzez zbadanie:
- procesów zachodzęcych ne końcówce przetapianej elektrody.
- oraz zmian w rozkładzie wielkości wtręceń niemetalicznych.
Materiał do przetopu uzyskano przeprowadzajęc wytopy w piecu indukcy;,- nym otwartym o wyłożeniu kwaśnym (SiOg) i pojemności znamionny/e; 15 ki,.
S kala 1:1
Rys. 2. Schemat pobierania prób z wlewka EZ
100 S. Tochowicz, M. Szulc
Rys. 3. Wtrącenia niemetaliczne obserwowane na zgładach prób pobranych z elektrody
Zmiany kształtu, wielkości, rodzaju... 10 1
Wsad stanowiło żslazo Armco odtlenlone na pięć minut przed spustem krze
mem w ilości 0,009 kg Si/kg wsadu. Uzyskane wlewki poddano przekuciu na elektrody o p 30 mm. Po odcięciu prób do badań, elektrody przetapiano w laboratoryjnym piecu E2P zasilanym prędem zmiennym, z krystalizatorem o- kręgłym o średnicy 0 50 mnu Przetopy wykonano z zastosowaniem żużla typu CaF2 - CaO - A l 20 3 (63JK CaFg - 12% CaO, 20% AlgOj). Badaniami objęto pró
by pobrane z przekutych elektrod (stopień przekucia 2), z końcówek prze
ciętych wzdłuż osi elektrod (rys. 1) oraz z wlewków EŻP (rys. 2).
Metody badań dobrano pod kętem uzyskania danych odnośnie kształtu, za
wartości oraz rozkładu wielkości wtręceń niemetalicznych, przy przejściu od elektrody do wlewka.
W tym celu zastosowano:
- metalograficznę analizę jakościowę (mikroskop f-my Reichert MeF-2), - metalograficznę analizę ilościową (mikroskop telewizyjny Quantimet 720
firmy Cambridge Metals Research).
Badajęc zgłady prób pobranych z elektrod wyjściowych stwierdzono prze
de wszystkim obecność dużych często szklistych wtręceń niemetelicznych o kształcie globularnym (rye. 3). Dla prześledzenia procesów zachodzęcych w trakcie przetapiania pobrano próby z końcówki przetopionej elektrody
s t r e f o „ a 1
s t r e f o , b ‘
s t r e f o , c '
Rys. 4. Badane strefy na przekroju końcówki elektrody
102 S. Tochowicz, M. Szulc
(rys.l), a wzdłużny Jej przekrój podzielono na odpowiednie strefy (rys.4).
W ustalaniu rozmieszczenia poszczególnych stref podanych na rys.4 kiero
wano się różnicami w wyglądzie wtrąceń niemetalicznych w poszczególnych częściach zgładu (rys. 1), dostrzeżonymi w czasie obserwacji mikroskopo
wych. W strefie "a", znajdującej się w czasie przetapiania w obrębie za
sięgu wysokich temperatur, zaobserwowano oprócz niezmienionych wtrąceń glo- bularnych wtrącenia wyraźnie zmieniająca swój kształt (rys. 5).Rysunek 5b przedstawia w sposób obrazowy początkowy etap powstawania ubytków w "sta
nie posiadania" pojedynczego wtrącenia. Przy przejściu ze strefy "a" do strefy "T>" obserwowano gwałtowny wzrost ilości wtrąceń niemetalicznych o- raz wyraźne zmniejszenie ich wielkości świadczy to o daleko posuniętym roz
padzie dużych wtrąceń globularnych (rys. 6a). Najbardziej charakterystycz
ny obraz wtrąceń niemetalicznych tej strefy przedstawiają rysunki 6b i 6c.
Obserwacje mikroskopowe strefy “c" w uformowanej na końcówce elektrody kropli wykazują, że rozpadowi dużych wtrąceń niemetalicznych w strefie
"b" towarzyszy równocześnie zachodzący proces segregacji wtrąceń,przy czym większe wtrącenia globularne przemieszczają się w kierunku powierzchni mię- dzyfazowej żużel-metal (rya. 7). Uważna obserwacja warstwy metalu przy po
wierzchni międzyfazowej wskazuje na mniejszą, od obserwowanej w strefie
" b " , ilość drobnych wtrąceń niemetalicznych.
Oprócz Jakościowych badań metalograficznych wykonano ilościowe badania na zgładach prób pochodzących z elektrod przed przetopem, z końcówki prze
topionej elektrody dla strefy "a" i strefy "b + c" oraz w wlewków EŻP.
Uzyskane wyniki zestawiono w tablicy 1 oraz na rysunkach 8 i 9. Wskazują one na stopniowe zmniejszanie zawartości wtrąceń niemetalicznych na dro
dze elektroda przed przetopem - strefa "a" końcówki przetapianej elektro
dy - strefa "b + c” końcówki przetapianej elektrody - wlewke EŻP (rys.8).
Obniżenie zawartości wtrąceń niemetalicznych w strefie "a" i w strefie 'b + c" pozwala przypuszczać, że w strefie tej zachodzi również, choć w małym stopniu, rozpuszczanie wtrąceń niemetalicznych. Porównanie ilości wtrąceń niemetalicznych w kolejnych etapach procesu elektrożużlowego prze
tapiania stali wykazuje, że ich maksimum przypada na etap formowania się kropli na końcówce przetapianej elektrody (rys. 8). Wskazuje to na daleko posunięty proces rozpadu dużych wtrąceń w tej strefie. O rozpadzie dużych wtrąceń w kropli formującej się na końcówce elektrody świadczy również ob- .liczona średnia powierzchnia wtrąceń tej strefy (tablica 1).
Ilość wtrąceń niemetalicznych we wlewku EŻP jest większa od ich ilo
ści w wyjściowej elektrodzie. Rozmiary ich jednak są tak małe (około 90%
posiada powierzchnię nie przekraczającą 10 firn2 ), że łączna ich zawartość jest kilkakrotnie niższa od zawartości wtrąceń niemetalicznych stwierdzo
nych w materiale elektrody (tablica 1). Rozkłady wielkości wtrąceń nieme
talicznych przedstawione na rysunku 9 świadczą o tym, że stal odtleniona krzemem wykazuje po przetopieniu elektrożużlowym zmniejszenie ilości wtrą
ceń ™ klasach obejmujących wtrącenia niemetaliczne, większe od 30 y m 2.
Zmiany kształtu, wielkości, rodzaju. 103
Rys. 5. Wtrącenia niemetaliczne obserwowane w strefie "a" końcówki prze
topionej elektrody
104 S. Tochowlcz, M. Szulc
*
Rys. 6. Wtręcenia niemetaliczne obserwowane w strefie "b" końcówki prze
topionej elektrody
Zmieny kształtu, wielkości, rodzaju. 105
Rys. 7. Wtrącenia niemetaliczne obserwowane w strefie "c" końcówki prze^
topionej elektrody
ZawartośćWN V powierzchni
106 S. Tochowicz, M. Szulc
Rys.
e le k tro d a strefa „a ‘ elekt rody strefa fi\c'e!ekt rody wlewek BZP
iany zawartość i ilości wtręceń niemetalicznych w procesie E2P stali- odtlenionej krzemem
.‘y . 9. Zmiana komulacyjnego rozkładu wielkości wtręceń niemetalicznych w procesie EŹP stali odtle- nionej krzemem
Tablica l Zalany w iloécl 1 wielkości wiręceń niemetalicznych
w procesie przetapiania elektrozużlowego stali odtlenionej krzemem
Miejsce Powier zchnia P Ilość wt ręceń -niemetalicznych na mm powierzchni zgładu Powierzchn, wytopu pobrania
próby %
wtręceń nleraet.
P/l cechę Całko
wita > 2 ¿jrT> 1 0 ¿íkj2 > 2 0 ¿jm2 ->30 ¿im2 > 4 0 ¿jm2 > 5 0 fjm 2 > 6 0 ¿jm2 > 7 0 /urn2
najwięk
szych wtręceń obecnych w badanej próbce
1 2 3 4 5 6 7 e 9 10 11 12 13 14
Elektroda 0,267 10,44 255,53 125,98 46,42 30,57 21,07 16.07 10,70 8,00 5,05 700
1150 Końcówka
elektrody strefa "aM
0,248 8,27 300,07
»
150,32 56,21 34,8 23,02 12,38 5,72 4,71 3,98 200
216 Końcówka
elektrody
strefa “D+c" 0,186 3,00 620,01 321,02 63.43 21.82 10,73 7,02 3,21 2.71 1.11
786 199
Wlewek EŹP 0,108 3,26 306,91 201,66 28,02 13,06 6,25 3,48 1,46 1,30 0,18 100
Elektroda • 0,306 12,60 226.02 163,40 52,31 30,17 22,34 11,67 10,81 8,71 6,42 1350
760
2
Końcówka elektrody strefa " a "
0,278 10,55 240,52 170,66 60,00 28,86 17,08 10,00 9,02 5,31 3,31 300
105 Końcówka
elektrody strefa "b+c"
0,254 3,74 630,00 301,02 70,30 15,61 14,31 7,82 2.05 1,69 0,72 180
690
Wlewek 5ŻP 0,126 2,60 497 323.32 40,73 15,42 10,01 3,02 1,33 0,18 - -
Elektroda 0,289 16,91 171 ..21 160,39 42,26 25,09 18,45 13,50 11,09 9.25 7,32 • 2018 680 Końcówka
elektrody strefa "a“
0,290 9,56 280,31 160,20 60,32 24,47 16,15 10,37 8,23 6,09 5,34 100
153 Końcówka
elektrody strefa "b+c"
0,200 2,68 692 331,2 71,82 • 20,21 10,30 3,21 2,47 1,02 0,56 199
673
Wlewek EŻP 0,104 2,80 335,35 313,53 29,02 9,75 4,78 2,02 1,30 0,61 - r
3-08S.Tochowicz, M.Szulc
Zalany kształtu, wielkości, rodzaju 109
Szczególnie korzystnie kształtuje się powierzchnia największych wtręceń, obecnych we wlewku EZP, która nie przekracza na ogół 70 ¿urn . Maksymalna powierzchnia sporadycznie spotykanych wtręceń (jedno na pięćdziesiąt oce
nianych pól) wynosi 100 lim2 , podczas gdy w materiale elektrody wyjściowej
2 p 2
obserwowano wtrącenia o wielkości 1150 ¿im , 1350 ¿im , 2018 ¿ijn~ (tablica 1%
Rys. 9 podaje również krzywe rozkładu wielkości wtrąceń w strefie "a"
i w strefie ”b + c” przetopionej elektrody. Rozkład wielkości wtrąceń w strefie "a" jest zbliżony do rozkładu wielkości wtrąceń w wyjściowej elek
trodzie. Zaczynający się w tej strefie proces rozpadu wyraża się niewiel- o
kim wzrostem ilości wtrąceń o wymiarach mniejszych od 20 ¿im i zmniejsza- niem ilości wtrąceń o wymiarach większych od 20 ¿im . Procesy te potęgują o się w strefie formowania kropli na końcówce przetapianej elektrody (stre
fa ”b + c” ). Postępujące w tych strefach, tj. przy przejściu do wysoko
temperaturowej strefy "a" oraz przy przejściu od strefy "a” do strefy ”b+
+c" zmniejszenie zawartości wtrąceń pozwala przypuszczać. Ze proces rozpu
szczania odgrywa pewną rolę w mechanizmie usuwania wtrąceń w czasie prze
tapiania elektrożużlowego. Otwartym zagadnieniem pozostaje odpowiedź na pytanie, jakim procesom ulegają w dalszych stadiach procesu EŻP wtrącenia zaobserwowane w strefie "c" końcówki elektrody. Należy przypuszczać, Ze w tej strefie silne oddziaływanie między ciekłym metalem a żużlem przejawia s i ę :
- w przejściu do żużla tych wtręceń niemetalicznych, które znajdą się na powierzchni międzyfazowej ciekły metal-Zużel,
- w procesach wymiany tlenu i pierwiastków odtleniających przez powierz
chnię międzyfazową ZuZel-metal.
Wyżej wymienionym procesom sprzyja rozwinięcie powierzchni zetknięcia ciekłego metalu z żużlem w procesach elektrożużlowego przetapiania stali.
Przeprowadzone badania wtrąceń niemetalicznych dla różnych etapów elak- trożużlowego przetapiania stali pozwalają wysnuć następujące wnioski:
1. Spośród badanych efektów przetapiania stali w procesie elektrożużlo- wym najlepsze wyniki uzyskuje się w zakresie usunięcia dużych wtrąceń nie
metalicznych.
2. Wtrącenia niemetaliczne we wlewku EŻP nie mogą być utożsamione z wtrąceniami niemetalicznymi elektrody.
■ . • •
3. W strefie najwyższych temperatur, tj. w strefie tworzenia się krop
li metalu na czole elektrody, występuje prawdopodobnie dysocjacja i roz
puszczenie części wtrąceń niemetalicznych.
4. Obserwowane przejście dużych wtrąceń niemetalicznych do powierzchni międzyfazowej kbńcówka przetapianej elektrody - żużel odgrywa z pewnością ważną rolę w procesie usuwania wtrąceń niemetalicznych w procesie e^-ektro- żużlowego przetapiania stali.
5. Stwierdzono wyraźnie rozpad dużych wtrąceń niemetalicznych w koń
cówce przetapianej elektrody.
1 1 0 S. Tochowicz, M. Szulc
LITERATURA
[l] Scharf G . : Neue Hutte + 20, 1975, nr 7, ss. 393-397.
IX]
Czerniawskaja :Metałłurg. Gornorudn. Prom. 1972, nr 5, ss. 37-38.[Xj Czerniawskaja:Metałłurg. Gornorudn. Prom. 1973, ńr 3, ss. 85-87.
[4j Zimmerman E .: Radex Randsch. 1971, nr 5, ss, 563-576.
[5j Mitchell A . : Ironmoking and Steelmaking. 1974, nr 3, ss.1972-1979.
H Powołockij D . : Izw. Wys. Uczeb. Zaw. G. Miet. 1975, nr 4.
[7] Medowar B . , Łatasz: Elektroszłakowyj pieriepław Naucz.Dum Kijów 1965.
IX]
Ludemna K . : Frieberger Forschungsh122,
1966, 181.[9] Powołockij D . :Izw. Wys. Uczeb. Zaw. Cz. Miet. 1976, nr 6, ss. 57-60.
[l03 Klujew M. : Stal.1969, nr 2, ss. 168-171.
L i d Klujew M. : Stal. 1967, nr 6, ss. 480-483.
LlX| Klujew M. : Mietałłurgia elektroszłakowogo pieriepławe.Izd.Mietałłur- gia, Moskwa 1969.
Ql3] Oodkowski S . : Mietałły. 1968, nr 2, ss. 115-121.
[l43 Liddle O.F. : Chemical metalurgy of iron and steel.Symposium Sheffield.
Ll53 Keu A.: Specialnaja elektrometałłurgia cz. 2. Symposium, Kijów 1972.
{łój Paton B . : Elektroszłakowyj pieriepław - Materiały z V Międzynarodowe
go Sympozjum cz. 4. Kijów 1977.
H3MEHEHHH SOPMH, BEJIH'fflHH, POfiA H PA3ME1HEHHH HEMETAJIJIHMECKHX BKJIDHEHHË BO BPEMfl nPOUECCA EŻP
P e 3 11 ii e
nosBeprajTHCB HCCJteAOBaHKHM H3M6HeHHS BeaHTOH H $ 0p MH HSMeTajIHqeCKHX BKJIK>- netmił na n y m : MaiepHaji a^eK ipo^a, oSpaaoBaHHe Kaium k h a k o t o MeTajtJia, Maie- p«a4 cjiHTKa b o BpeMa npopecca EZP. OSnapyxeHO HBjieHHe pacna^a 6ojibmnx bkjiio-
<teHKH cerperaąHH BKjnoneHHii b pacnaaBJiajomHMca naiepnaiie sjieKTpo.ua h npaBsono- flo6ne nacinnHOfi .¡¡.HCopHauHH u pacTBopeHHe p e a r e m o B b ¡k h,ę k o m MeiajiJie.
n oflïB epxA aeica 9$$eKT yMeHŁmeHHfl BejiHnHHH u ycTpaHeHHK Óo«bmnx BiuuoqeHnfl
b MaTepaauie cjmiica b cooiHomeHHH K Maiepaajiy saeK ip ofla.
THE CHANGES IN FORM, MAGNITUDE AND KIND, AND POSITION
OF NON-METALLIC INCLUSIONS DURING THE ELECTRO-SLAG MELTING (ESM) PROCESS
S u m m a r y
The changes in form, magnitude, kind, and position of non-metallic in
clusions on the way of: the electrode material, the drop of liquid metal in creation, the ingot material during the ESM process have been exami
?miany kształtu, wielkości, rodzaju. :.i
ned. The phenomena of big inclusions disintegration have been stated, as well as the segregation of inclusions in the melting material of the elec
trode, and the probability of the partial dissociation and dissolution of components in the liquid metal.
The effect of decreasing the big inclusions in magnitude, and removing the big inclusions in the ingot material in the comparison to electrode material was confirmed.
